淺析低壓智能補(bǔ)償器及Δ/Y自動(dòng)投切的應(yīng)用技術(shù)

丁傳春

（揚(yáng)州市江都區(qū)職業(yè)教育集團(tuán)，江蘇 揚(yáng)州 225200）

一、傳統(tǒng)無(wú)功功率因數(shù)補(bǔ)償器

20世紀(jì)70年代廣泛應(yīng)用PGJ補(bǔ)償柜，以B相電流與AC相電壓取樣，選用以COSφ為檢測(cè)量的控制器，如江都針織總廠使用泰州市海陵電源控制設(shè)備廠生產(chǎn)的補(bǔ)償器，采用晶體三極管分立元件放大器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式環(huán)形繼電器，帶動(dòng)交流接觸器吸合，投入補(bǔ)償電容器，其缺點(diǎn)較多。80年代中期90年代初期由模擬量取樣與變換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊、投切控制模塊等組成的微機(jī)無(wú)功功率因數(shù)補(bǔ)償器。如泰州老東河閘站使用JKL5C無(wú)功功率補(bǔ)償控制器還是采用交流接觸器投切電容器。為了提高自動(dòng)控制技術(shù)性能和可靠性，智能型補(bǔ)償器也就相繼問(wèn)世。由此可見(jiàn)在我國(guó)無(wú)功功率補(bǔ)償器經(jīng)歷了由分立元件→集成線路→單片機(jī)→DSP芯片一個(gè)快速發(fā)展的過(guò)程。

二、智能補(bǔ)償器的功能特點(diǎn)

（一）采樣科學(xué)

智能無(wú)功補(bǔ)償控制器，不再選用以cosφ為檢測(cè)量，其控制物理量、檢測(cè)量為無(wú)功功率（Q）控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號(hào)輸入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測(cè)出 Q＝Uicosφ，由于檢測(cè)量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的。檢測(cè)量為Iq的控制器，利用了相電壓U由正到負(fù)過(guò)零的瞬間，恰好就是A相無(wú)功電流最大值Iq.Max的原理，用相電壓U過(guò)零信號(hào)控制，采用開(kāi)關(guān)和簡(jiǎn)單的保持電路，以完成對(duì)Iq實(shí)時(shí)檢測(cè)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生震蕩，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓波動(dòng)無(wú)關(guān)。作為參量，在運(yùn)行中既能保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無(wú)振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又能兼顧補(bǔ)償效果，將補(bǔ)償裝置的效果發(fā)揮得更好。其采樣CT是三相線電流、PT是三相相電壓，這樣就把三相四線的電流、電壓控制信號(hào)輸入控制器，YST系列智能無(wú)功補(bǔ)償器采樣科學(xué)，如圖 1所示，經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換和軟件校準(zhǔn)，并通過(guò)數(shù)字及邏輯運(yùn)算可以得到三相無(wú)功功率及功率因數(shù)。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制器的信號(hào)接入

（二）抗干擾能力強(qiáng)

如圖2微機(jī)控制器結(jié)構(gòu)圖所示，采用硬件“看門狗”電路，軟件“陷阱”雙重抗干擾措施。

圖2 微機(jī)控制器結(jié)構(gòu)圖

（三）共、分補(bǔ)相結(jié)合

針對(duì)△-Y結(jié)合情況，三相分相獨(dú)立檢測(cè)、先共補(bǔ)后分補(bǔ)，成功解決了三相不平衡的補(bǔ)償問(wèn)題。在三相四線制系統(tǒng)尤為重要，這是傳統(tǒng)補(bǔ)償器無(wú)法比擬的。分相補(bǔ)償是指分相投切單相電容器。在三相負(fù)荷不平衡或三相負(fù)荷的波動(dòng)不一致的情況下，分相投切電容器能取得很好的補(bǔ)償效果。三相共補(bǔ)是指投切三相電容器，在負(fù)荷相對(duì)平衡的情況下，三相共補(bǔ)能取得很好的補(bǔ)償效果。如20A（控制補(bǔ)償容量：?jiǎn)蜗唷?kvar；三相≤10kvar），40A（控制補(bǔ)償容量：?jiǎn)蜗唷?.5kvar；三相≤20kvar），60A（控制補(bǔ)償容量：?jiǎn)蜗唷?0kvar；三相≤30kvar）

三、低壓智能復(fù)合開(kāi)關(guān)

該復(fù)合開(kāi)關(guān)如圖3所示，是針對(duì)固態(tài)繼電器及交流接觸器在低壓無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用中的不足而研制的。其工作原理是：來(lái)自控制器投切命令經(jīng)光電耦合器送到單片機(jī)進(jìn)行處理，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大電路和隔離電路，才能去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管；單片機(jī)按照電容器投入時(shí)晶閘管開(kāi)關(guān)先通，然后接觸器接通，再斷開(kāi)晶閘管開(kāi)關(guān)；電容切除時(shí)晶閘管開(kāi)關(guān)先通，然后接觸器斷開(kāi)，再斷開(kāi)晶閘管開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)序工作，經(jīng)光電耦合器和功率放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)的控制。從而使得復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的過(guò)程中，具有晶閘管過(guò)零投切的優(yōu)點(diǎn)；而在正常接通期間又有接觸器無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。來(lái)自補(bǔ)償裝置的投切信號(hào)，經(jīng)光電耦合器送PIC16C54單片機(jī)進(jìn)行處理，，輸出的時(shí)序信號(hào)，經(jīng)功率放大送 MOC3083光電耦合器。晶閘管無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓也送入MOC3083 光電耦合器，當(dāng)系統(tǒng)電壓 Us（t）與電容器電壓 Uc（t）相等時(shí)晶閘管兩端電壓為零，這時(shí)光電耦合器可輸出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通。復(fù)合開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)還有顯著的節(jié)能效果，如果使用晶閘管而不用接觸器旁路，晶閘管在導(dǎo)通運(yùn)行時(shí)，晶閘管結(jié)間會(huì)產(chǎn)生1V左右的電壓降，通常15kV·A三角形接法的電容器，額定電流為22A，則一個(gè)晶閘管消耗功率大約22W。例如，以一個(gè)150kV·A電容柜來(lái)計(jì)算，運(yùn)行時(shí)其晶閘管投切裝置消耗功率600W，而且都變成熱量，使柜內(nèi)溫度升高。按照1／2消耗功率計(jì)算，則每天消耗電能 300W×24h＝7.2kW·h，一年則 7.2kW·h×365＝2628kW·h，企業(yè)電價(jià)0.87元∕kW·h計(jì)算，則0.87元×2628＝2286.36元。而在投入電容器后由接觸器旁路，晶閘管退出就不存在晶閘管導(dǎo)通的1V電壓降，在切出時(shí)晶閘管導(dǎo)通，接觸器觸點(diǎn)不存在電弧及噪聲、熔焊等現(xiàn)象，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，根據(jù)我們多年使用的情況看，復(fù)合開(kāi)關(guān)中的晶閘管和接觸器沒(méi)有損壞，比傳統(tǒng)的補(bǔ)償器節(jié)約很多接觸器和維修工作，復(fù)合開(kāi)關(guān)中的晶閘管和接觸器互補(bǔ)功能使用在智能控制器自動(dòng)控制下發(fā)揮了很好的作用，具有很好經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 復(fù)合開(kāi)關(guān)控制單元控制板的電路圖

（一）過(guò)零投切

控制器發(fā)出投入指令，晶閘管在電壓過(guò)零時(shí)投入，穩(wěn)定后磁保持繼電器接通旁路運(yùn)行，晶閘管退出；控制器發(fā)出切除指令后，晶閘管先導(dǎo)通，磁保持繼電器再斷開(kāi)，最后晶閘管延時(shí)過(guò)零斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零切除。

（二）投切方式

配電網(wǎng)電容器優(yōu)化投切是用來(lái)決定配電系統(tǒng)中已安裝的電容器組在不同復(fù)荷狀態(tài)下投切策略，以達(dá)到減小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功率或能量損耗目的的一種運(yùn)行控制手段。電容器組多數(shù)采用“順序投切”方式，合理的投切方式應(yīng)為“循環(huán)投切”，可以使先投入運(yùn)行的電容器組先退出，后投入的后切除，從而使各組電容器及投切開(kāi)關(guān)使用概率均等，降低了電容器組的平均運(yùn)行溫度，減少了投切開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)了使用壽命。

根據(jù)企業(yè)負(fù)載的特點(diǎn)可以采用：①延時(shí)投切方式。②瞬時(shí)投切方式。③混合投切方式等。

四、低壓補(bǔ)償方式

傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償方式有低壓集中補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、分散補(bǔ)償、分相補(bǔ)償且各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中用的最多的是低壓集中補(bǔ)償和分相補(bǔ)償

（一）低壓集中補(bǔ)償方式，通常采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動(dòng)，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡，對(duì)配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用，也保證該用戶的電壓水平。其優(yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無(wú)功就地平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無(wú)功補(bǔ)償中常用的手段之一。

（二）分相補(bǔ)償，在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷，照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機(jī)性大，容易造成三相負(fù)載的不平衡，使原本通過(guò)調(diào)配供電回路的負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的三相平衡，在實(shí)際運(yùn)行中已無(wú)意義，導(dǎo)致了低壓供配電系統(tǒng)三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡。這種不平衡不具備規(guī)律性，無(wú)法先預(yù)知，也無(wú)法有效地改善。再加上每相負(fù)載的功率因數(shù)也不盡相同，使得每相回路中需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率差異很大。筆者在使用傳統(tǒng)的三相無(wú)功補(bǔ)償方式，不但不能節(jié)能，反而浪費(fèi)資源，難以對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償，補(bǔ)償工程中產(chǎn)生的過(guò)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁墙o整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的危害。

圖1展示采樣的信號(hào)取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，對(duì)其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會(huì)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)那闆r。充分發(fā)揮電容器組對(duì)無(wú)功負(fù)荷的補(bǔ)償作用，改善電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)中電能損耗。

五、智能補(bǔ)償器的應(yīng)用

江城機(jī)械有限公司有車床、銑床、龍門刨床、磨床、電焊機(jī)數(shù)十臺(tái)，近年來(lái)設(shè)備不斷增加，供電主干線經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)行，功率因數(shù)很低，線路壓降近35V，機(jī)床前線電壓僅有 350V左右。補(bǔ)前測(cè)得有功功率表P=102kW、電壓表U1=355V、電流表 I1=360A、S1=√3U1I1=221kVA、cosφ1=P/S1=102/221=0.46，cosφ2取=0.95，求得QC=148kvar。在選用0.4kV電容器時(shí)，由于實(shí)際電壓偏低，需要增加約30%的容量，則QC=1.3×148=192.4（kvar），實(shí)際選用了175kcar。將原集中補(bǔ)，增改分散就地補(bǔ)，采用智能補(bǔ)償器和智能復(fù)合開(kāi)關(guān) HFS-60-3/Δ、電容型號(hào)：BCMJ0.4-25-3、5×25kvar共補(bǔ)，加 HSF-60-1×3/Y、電容型號(hào)：BCMJ0.25-25-1Y、2×25kvar分補(bǔ)投切。

補(bǔ)后U2=376V，I2=175A。由此可見(jiàn)不僅提高了供電電壓，還大幅度減少了線路損耗，其損耗可以計(jì)算得出：ΔP=3I2R×10-3kW。經(jīng)過(guò)查表計(jì)算得出電阻系數(shù)為 0.36，主干線長(zhǎng) 150m，則線阻 R=0.36×0.15=0.054（Ω）。節(jié)省損耗ΔP=P1-P2=3（I1-I2）2R×10-3=3（360-176）2×0.054×10-3=5.5（kW），按年運(yùn)行 2500h，年節(jié)電 5.5×2500=13750（kW·h），按企業(yè)0.87元/kW·h計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)0.87×13750=11962.5（元）。

現(xiàn)場(chǎng)改造，利用舊柜，購(gòu)買智能補(bǔ)償器和智能型△／Y復(fù)合投切開(kāi)關(guān)、增補(bǔ)電容器等投資9250元，僅用10個(gè)月就可以收回成本。以后每年可節(jié)省電費(fèi)11962.5元，又不要更換主干線電纜，提高機(jī)床效率，既能安全運(yùn)行又減少投資，同時(shí)還可以節(jié)省電費(fèi)開(kāi)支。過(guò)去誤認(rèn)為補(bǔ)償器沒(méi)有什么用，供電公司在cosφ＜0.9時(shí)罰款也不知怎么回事，改造后功率因數(shù)＞0.9＜0.97有時(shí)還有850元／月獎(jiǎng)勵(lì)。

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)無(wú)功功率因數(shù)低劣的產(chǎn)生，線損的危害，提出治理措施—無(wú)功補(bǔ)償電容器配置。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)代智能型補(bǔ)償器控制器的分析與比較，投切方式的比較，突出復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容器，優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了投入無(wú)涌流運(yùn)行不發(fā)熱；電容器切除時(shí)，觸頭動(dòng)作無(wú)火花、無(wú)拉弧，從而使得復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的過(guò)程中，具有晶閘管過(guò)零投切的優(yōu)點(diǎn)；而在正常接通期間又具有接觸器無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)揚(yáng)州華鼎YST智能無(wú)功補(bǔ)償控制器及揚(yáng)州揚(yáng)開(kāi)YKLD-18智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)以及CT、PT采樣信號(hào)的科學(xué)處理，硬件和軟件程序相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能型控制器檢測(cè)量和控制目標(biāo)。三相復(fù)合開(kāi)關(guān)YHLD-63-3／△，獲中國(guó)專利號(hào)ZL00249080.3，YKLD-40-1／Y，為單相Y型投切復(fù)合開(kāi)關(guān)；根據(jù)變電站用戶情況合理選擇低壓補(bǔ)償方式：集中、隨機(jī)、隨器、分散、分相等補(bǔ)償。發(fā)揮補(bǔ)償器的各項(xiàng)功能，使用戶花最少的電費(fèi)得到最好的用電質(zhì)量；我們還通一些企業(yè)補(bǔ)償器的更新改造，體會(huì)到選擇適合企業(yè)、小區(qū)、機(jī)關(guān)等用電特點(diǎn)的智能無(wú)功功率補(bǔ)償器就是最好的，任何一個(gè)用戶用電時(shí)都存在著一個(gè)節(jié)能效益和電能質(zhì)量最佳、支付電費(fèi)最少的用電功率因數(shù)，這個(gè)值稱為經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)，一定會(huì)取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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